高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)綜述

王猛

摘要：高速永磁電機(jī)在航空航天、能源及精密制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該文首先介紹了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的高速永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其所使用的材料；然后從定子鐵耗、銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗與風(fēng)摩損耗等方面，分別總結(jié)歸納了電機(jī)中各項(xiàng)損耗及其計(jì)算方法；

關(guān)鍵詞：高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)；分析；技術(shù)研究

高速永磁電機(jī)是當(dāng)前精密制造行業(yè)中的重要裝備，隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展它也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。相比于普通電機(jī)，雖然設(shè)計(jì)原理一樣，但是，高速永磁電機(jī)擁有更多的優(yōu)勢(shì)，如轉(zhuǎn)速更快、體積更小、工作效率更高、成本更低。高速永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)速卻造成一些問(wèn)題，目前其設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)在于定子與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，而其分析技術(shù)工作的重點(diǎn)在于電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和溫升計(jì)算。

一、高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

1.電機(jī)磁懸浮技術(shù)。高速電機(jī)區(qū)別于普通電機(jī)，不能采用以往的機(jī)械軸承，需要的是采用如磁懸浮列車(chē)般的非接觸類(lèi)型的軸承。有著諸如，轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)調(diào)高、摩擦的功耗也會(huì)隨之減少、并且不用潤(rùn)滑以及壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，磁懸浮技術(shù)做為一種還處于試用階段的高新技術(shù)，也將逐步進(jìn)入高速電機(jī)這一研究領(lǐng)域。

2.電機(jī)定子的設(shè)計(jì)。電機(jī)的定子就相當(dāng)于電機(jī)的散熱器，定子的材料和結(jié)構(gòu)

的選擇也是電機(jī)設(shè)計(jì)研究的重要組成部分。首先從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，當(dāng)前最常采用的定子結(jié)構(gòu)形式是環(huán)形繞組。這種結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)子需求長(zhǎng)度縮短，從而使得轉(zhuǎn)子的韌度也有所提升。并且這種結(jié)構(gòu)因?yàn)樵O(shè)計(jì)了較多的齒槽，就如同散熱器一樣，可以保持定子處于較為正常的溫度。但仍然需特別注意的是，電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒槽也會(huì)增加對(duì)轉(zhuǎn)子的耗損。因此為了減少這種耗損，此結(jié)構(gòu)的電機(jī)一般都會(huì)通過(guò)增加氣隙的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到散熱的目的。在材料的設(shè)計(jì)方面上，當(dāng)前最常采用的是在0.2mm厚度以?xún)?nèi)的硅鋼片。

3.電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)。高速永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)通過(guò)電磁效應(yīng)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)。在工作的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生極大的離心力，所以轉(zhuǎn)子一定要有足夠的強(qiáng)度，并且摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，這也極其容易破壞轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。因此電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，不僅要增強(qiáng)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，還要確保材料有低耗損以及耐高溫的性質(zhì)。而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要在轉(zhuǎn)子的材料以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上下功夫。在材料的設(shè)計(jì)方面上，最常使用的是具有較強(qiáng)適應(yīng)性的永磁材料。這種材料的選擇，考慮到的是永磁材料本身溫度系數(shù)較小，能夠使轉(zhuǎn)子保持在一個(gè)正常穩(wěn)定的溫度。并且它對(duì)溫度的適應(yīng)性也比較強(qiáng)，所以當(dāng)對(duì)溫度要求較高時(shí)，可以選擇。永磁材料也可以承受離心力。

二、對(duì)高速永磁電機(jī)分析技術(shù)的綜述

1.對(duì)電機(jī)損耗的分析。對(duì)電機(jī)損耗的分析技術(shù)，是目前高速永磁電機(jī)分析技術(shù)中較為熱門(mén)的話(huà)題。這是因?yàn)樵诟咚儆来烹姍C(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)定子勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的鐵耗或者銅耗，因此，目前許多學(xué)者都加強(qiáng)了對(duì)定子鐵耗與定子銅耗分析技術(shù)的研究。在定子鐵耗的分析上，主要采取比損耗法，也就說(shuō)按照特定頻率和磁密下的定子鐵耗進(jìn)行高速永磁電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中定子鐵耗的計(jì)算，并且結(jié)合一定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。而在定子銅耗的分析上，則主要采取解析模型效應(yīng)方法進(jìn)行定子銅耗計(jì)算。此外，在高速永磁電機(jī)損耗分析中，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的分析也是重中之重，往往采用解析法與有限元法，通過(guò)這兩種方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行分析。

2.對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析。在高速永磁電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)受到來(lái)自離心力的巨大破壞，因此，為了進(jìn)一步確保電機(jī)轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就必須在電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的過(guò)程中，做好對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析工作。通常情況下，我們?cè)诜治鼋Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時(shí)，往往可以將其轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力以及永磁體內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，得出計(jì)算結(jié)果。在分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時(shí)，則需要先對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化解析，并利用FEM法對(duì)電機(jī)各項(xiàng)材料的性質(zhì)分別進(jìn)行分析。而在分析實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度時(shí)，則應(yīng)該做好對(duì)轉(zhuǎn)子二維軸向截面的分析工作，從而實(shí)現(xiàn)較小規(guī)模的電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析。與此同時(shí)，為了確保在高速永磁電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠保持良好的工作性能，還要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性、不平衡相應(yīng)等動(dòng)力學(xué)內(nèi)容展開(kāi)詳細(xì)的分析。

3.對(duì)電機(jī)溫升計(jì)算的分析。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，永磁體工作點(diǎn)會(huì)受到溫度的較大影響，過(guò)高的溫度還會(huì)造成永磁體失磁問(wèn)題。所以，對(duì)于高速永磁電機(jī)而言，其性能與溫升水平有著密不可分的聯(lián)系。因此，如何準(zhǔn)確的計(jì)算溫升，則儼然已經(jīng)成為永磁電機(jī)散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前在對(duì)高速永磁電機(jī)的溫升計(jì)算中，常見(jiàn)的溫升計(jì)算方法主要有三種：第一，LPTN法。LPTN法的應(yīng)用實(shí)質(zhì)就是將高速永磁電機(jī)中溫度較為相近的部分合成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并用熱阻模擬節(jié)點(diǎn)之間的傳熱。對(duì)于固體熱傳導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的熱阻，可根據(jù)固體材料的導(dǎo)熱率和幾何尺寸予以計(jì)算。而對(duì)于流固交界面處的對(duì)流傳熱熱阻，則要根據(jù)流傳熱系數(shù)與交界面的實(shí)際面積予以計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，可充分借助電路實(shí)現(xiàn)，將高速永磁電機(jī)各個(gè)部分的損耗，作為熱源加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之上，并將這些熱源看作是電流源，熱阻看作是電阻，溫度看作是電壓，基于此采用電網(wǎng)絡(luò)求解技術(shù)對(duì)高速永磁電機(jī)各個(gè)部分的溫升進(jìn)行計(jì)算。一般來(lái)講，根據(jù)不同的離散程度可將高速永磁電機(jī)劃分為幾個(gè)、幾十個(gè)，甚至是上百個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，離散程度越高，計(jì)算越準(zhǔn)確，在熱阻的計(jì)算工作上也就更為復(fù)雜。此外，因?yàn)榱鱾鳠嵯禂?shù)與流體流速有著密不可分的關(guān)系，所以，在對(duì)熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算前，就必須建立高速永磁電機(jī)的冷卻流體網(wǎng)絡(luò)，利用經(jīng)驗(yàn)公式、曲線(xiàn)以及表格，確定流傳熱系數(shù)。第二，F(xiàn)EM法。FEM法是利用二維或者是三維的方式，對(duì)高速永磁電機(jī)實(shí)體進(jìn)行建模剖分，以此加載各項(xiàng)損耗的密度與傳熱條件。所以，求解所獲得的溫升分布與LPTN相比更加詳細(xì)。但是，由于FEM法在結(jié)果計(jì)算中也是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，所以與LPTN面臨著相同的問(wèn)題，就是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重依賴(lài)于傳熱條件的準(zhǔn)確程度。因此，在實(shí)際的溫升計(jì)算中，多使用FEM法作為L(zhǎng)PTN模型的修正與細(xì)化。第三，CFD法。與LPTN法、FEM法相比，CFD法在對(duì)流傳熱系數(shù)的確認(rèn)上無(wú)須借助經(jīng)驗(yàn)方法，只需借助流固耦合和共軛傳熱建模技術(shù)，就可以對(duì)高速永磁電機(jī)的內(nèi)部、外部流體情況，溫升分布情況，進(jìn)行準(zhǔn)確的求解，因此CFD法計(jì)算出的結(jié)果準(zhǔn)確性更高。但同時(shí)，在CFD法的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)剖分技術(shù)、計(jì)算機(jī)資源等要求較高，計(jì)算過(guò)程較為耗時(shí)，因此在一定程度上也阻礙了CFD法的廣泛應(yīng)用與推廣。所以，近些年來(lái)諸多學(xué)者就CFD法展開(kāi)了詳細(xì)的分析，將LPTN法與CFD法相結(jié)合，或者是將FEM法與CFD法相結(jié)合，充分利用各種計(jì)算方法的優(yōu)勢(shì)，既降低了溫升的實(shí)際計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，也進(jìn)一步提高了溫升的計(jì)算精度。尤其是近年來(lái)，隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，軟硬件技術(shù)也隨之得到了相應(yīng)的提高，人們對(duì)高速永磁電機(jī)功率與效率提出了更高的要求，所以CFD法在高速永磁電機(jī)傳熱方面的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)更加廣泛，值得廣大電機(jī)相關(guān)工作者加以深入研究與探討。

與具有常速的普通電機(jī)相比，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和繞組電流頻率均比較高，其單位體積定子的鐵耗和銅耗顯著增加，轉(zhuǎn)子的高頻渦流損耗和表面空氣摩擦損耗皆有較大提升。因此，本文對(duì)高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)進(jìn)行研究，旨在提升其應(yīng)用水平。隨著高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和分析技術(shù)的優(yōu)化，其發(fā)展前景必將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：丹佛斯（天津）有限公司）